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1、第一章 金属的结构与结晶【重点内容】1.有关金属结构的基本概念；常见的金属晶格类型、实际金属晶体缺陷；2.纯铁同素异构转变；3. 金属结晶过程的基本规律及其影响因素；4.过冷度的定义及冷却速度与过冷度的关系；细化晶粒的办法。【本章难点】 纯铁同素异构转变、金属结晶过程、规律及其影响因素。【基本要求】1.熟悉晶体的基本概念；2.掌握常见金属的晶体结构及金属的实际晶体结构；3.掌握影响晶核形成和长大的因素及细化晶粒的办法。1金属的晶体结构【晶体的基本概念】在自然界中除了一些少数的物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。1晶体所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排
2、列的物体。（晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结果。）2晶体结构晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。3阵点（结点）把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。4点阵阵点（或结点）在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵）5晶面点阵中的结点所构成的平面6晶向点阵中的结点所组成的直线。7晶格把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。8晶胞构成晶格的最基本单元。由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。9晶格常数晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角、是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b
3、、c称为晶格常数或点阵常数。其大小用A(0)来表示（1A(0)=10-8cm）若a=b=c，=90这种晶胞就称为简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。 晶体 晶格 晶胞 晶面 晶向图1-1 晶体规则排列示意图【常见金属的晶体结构类型】研究表明，在金属元素中，约有百分之九十以上的金属晶体都属于如下三种密排的晶体结构类型。（一）体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子。其晶格常数a=b=c，通常只用a表示，见图（1-2），可见，这种晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密接触排列着的。故其对角线长度a方向上所分布的原子数目为2，这样可计
4、算出其原子半径r=。在这种晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有，故实际上每个体心立方晶胞中仅含有：个原子。晶格的致密度：是指其晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。用“K”表示体心立方晶格的致密度K= 即晶格中有68%的体积被原子占有，其余为空隙。属于这种体心立方晶格的金属有Fe（912，Fe）、Cr、Mo、W、V等。图1-2 体心立方晶格（二）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。在这种晶胞中，是在每个面的对角线上各原子彼此相互接触，因而其原子半径，又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有的，故面心立
5、方晶格的晶胞中包含有：个原子。其致密度K= 即有74%的体积被原子占有，其余的为空隙。属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（Fe）等图1-3 面心立方晶格（三）密排六方晶格- 1 -由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。其晶格常数abc，c/a=1.633密排六方晶格的晶胞中所含的原子数：个原子。致密度K=0.74。属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、 镉（Cd）等。 除以上三种晶格以外，少数金属还具有其它类型的晶格，但一般很少遇到。图1-4 密排六方晶格【晶面及晶向指数】 在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需
6、要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，这样有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方向，从而便于分析，晶面和晶向的这种符号分别叫“晶面指数”和“晶向指数”。 晶面指数与晶向指数是如何确定？（一）晶面指数的确定 如图1-5 设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。 将所得三截距之值变为倒数。图1-5 晶面指数的确定 再将这三个倒数按比例化为最小整数并加上一圆括号，即为晶面指数。一般形式：表示。1PBEQ面：在三坐标轴上的截距分别是1/2
7、，1，；截距倒数分别是2，1，0；化为最小整数后的晶面指数（210）。2AGE面： 截距1，1，1； 倒数1，1，1 ，晶面指数（111）3DBEG面：截距1，1，； 倒数 1，1，0，晶面指数（110）4DCFG面：截距1，；倒数1，0，0， 晶面指数（100） 值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。此外，在一种晶格中，如果同一晶面，虽然它们的位向不同，但原子排列相同。如（100）、（010）等，这时若不必要予以区别时可把这些晶面统用100表示。即：这符号系指某一确定位向的晶面指数，而则可指所有那些位向不同而原排列相同的晶面指数
8、。（二） 晶向指数的确定 通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；。 求出该直线上任意一点的三个坐标值； 将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶向指数，其一般形式。 如：AB的晶向指数：过O作一平行直线OP，其上任一点的坐标（110），这样所求AB的晶向指数即为110；图1-6 晶向指数的确定 OB：本身过原点不必作平行线，其上任一点的坐标（111），其晶向指 数111；OC：其上任一点C的坐标（100），其晶向指数100。同理：OD晶向指数010，OA001。同样 100代表 方向相同的一组晶向，而则代表方向不同但原子排列相同的晶向。【金属的实际结构和晶体缺陷】（一）单
9、晶体与多晶体如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。以上我们讨论的情况都指这种单晶体的情况。但在工业金属材料中，除非专门制作，否则都不是这样，就是在一块很小的金属中也含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。多晶体：实际上由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；而多晶体对每个小晶粒具有“各向
10、异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。 单晶体 多晶体图1-7 单晶体与多晶体示意图（二）晶体缺陷随着科学技术的发展，人们发现，在金属中还存在着各种各样的晶体缺陷，按其几何形式的特点分为如下三类：1.点缺陷即原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。 图1-8 点缺陷示意图当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。2.线缺陷即原子排列
11、的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如位错。位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。图1-9 线缺陷示意图由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，图1-9为一种最简单的位错“刃型位错”。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。实际晶体中存在大量的位错，一般用位错密度来表示位错的多少。（位错密度 ：单位体积中位错线的总长度，或单位面积上位错线的根数，单位cm-2）位错线附近的原子偏离了平衡位置，使晶格发生了畸变，对晶体的性
12、能有显著的影响。大量的实验和理论研究表明，晶体的强度和位错密度有如图1-10的对应关系，可见，当晶体中位错密度很低时，晶体强度很低；相反在晶体中位错密度很高时，其强度很高。但目前的技术，仅能制造出直径为几微米的晶须，不能满足使用上的要求，而位错密度很高易实现，如剧烈的冷加工可使密度大大提高，这为材料强度的提高提供途径。图1-10 金属强度与位错密度的关系3.面缺陷即原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小，如前面讲的晶界和亚晶界是晶体中典型的面缺陷，显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的
13、位错墙，这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。图1-11 面缺陷示意图【作业题】 1. 常见的金属晶体结构有哪几种？-Fe 、- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 Pb 、 Cr 、 V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？2.以纯铁为例说明什么是同素异构转变？2金属的结晶【结晶的基本概念】一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体结构，则称为结晶。金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷却转变为固态的过程，称为金属的结晶。液态金属与固态金属的主要差别在于：液态金属无一定形状，易流动，原子间的距离大，但在一定温度条件下，在液态金属中存在与固态金属的“远程排列”不同的“近程排列”。1. 结晶时的过冷现象各种纯金属如Fe、Cu等都有一定的结晶温度，Fe：1539，Cu：1083等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是指液体的结晶速度与晶体的熔化速度相等时的温度。实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原因在结晶的能量条件上。在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。 在图1-12中以自由能F代表体系的能量，可见，只有当固态金属的自由
